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1、检测技术概述检测技术概述一、检测的基本概念一、检测的基本概念1、检测与测量：、检测与测量：测量：测量： 以确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作以确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作检测技术：检测技术：检测过程：检测过程：测量测量信号检出（极为重要）信号检出（极为重要）信息提取、信号转换存储与传输、显示记录、分析处理信息提取、信号转换存储与传输、显示记录、分析处理检测技术：检测技术： 检测方法、检测结构、检测信号处理检测方法、检测结构、检测信号处理2、检测的分类、检测的分类被测量值的物被测量值的物理属性：理属性： 电量、非电量电量、非电量检测原理（物理的、化学的、生物学的）：检测原理（物
2、理的、化学的、生物学的）：检测方法：检测方法： 主动和被动、直接与间接、接触式与非接触式、主动和被动、直接与间接、接触式与非接触式、动态和静态动态和静态电磁法、光学法、微波法、超声法、核辐射法、电化电磁法、光学法、微波法、超声法、核辐射法、电化学分析、色谱分析、质谱分析等学分析、色谱分析、质谱分析等检测是意义更为广泛的测量检测是意义更为广泛的测量- 综合性技术综合性技术3、测量单位、测量单位被测量被测量 基准量基准量避免混乱避免混乱 - 国际单位制（国际单位制（SI）：）：长度长度 质量质量 时间时间 电流电流 热力学温度热力学温度 物质的量物质的量 光量光量实物单位实物单位-千克标准原器千克
3、标准原器米米-光在真空中光在真空中1s时间内传播距离的时间内传播距离的1/299792485能量（能量（J）=力力 距离距离大得多大得多/小得多小得多-词头：词头：mm、 m、nm（10-9m）；）； kHz、MHz（106Hz）、）、GHz（109Hz）单位单位测量：测量：比较比较SI 基本单位：基本单位：倍数（结果）倍数（结果）SI 组合单位：组合单位：七个物理量单位七个物理量单位 - 相互独立相互独立由基本单位导出由基本单位导出 =质量质量 加速度加速度 距离距离J = kg（m/s2）m = m2kg/s2能量能量 - 焦（耳）：长度、质量、时间焦（耳）：长度、质量、时间（m）（kg）
4、（s）（A）（K）（mol）（cd） （科学家）（科学家）1、产品检验和质量控制的重要手段产品检验和质量控制的重要手段二、检测技术的作用与意义二、检测技术的作用与意义被动检测被动检测主动检测（在线检测）主动检测（在线检测）质量控制领域质量控制领域2、在大型设备安全经济运行监测中得到广泛应用在大型设备安全经济运行监测中得到广泛应用故障监测系统故障监测系统动态监测动态监测保证设备和人员安全保证设备和人员安全提高经济效益提高经济效益3、自动化系统中不可缺少的组成部分自动化系统中不可缺少的组成部分生产过程：生产过程：“物流物流”“信息流信息流”控制控制管理管理数量数量状态状态趋向趋向检测检测获取信息获
5、取信息分析判断分析判断自动控制自动控制自动化：自动化： 信息获取、信息转换、信息处理、信息传送、信息执行信息获取、信息转换、信息处理、信息传送、信息执行4、检测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步检测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步检测手段水平决定科学研究的深度和广度检测手段水平决定科学研究的深度和广度理论研究成果离不开必要的检测手段理论研究成果离不开必要的检测手段三、检测系统构成三、检测系统构成信息获取信息获取转换转换显示和处理显示和处理（信号检出部分）（信号检出部分）（信号变换部分）（信号变换部分）（分析处理部分、（分析处理部分、通信接口及总线）通信接口及总线）1、信号检出部分
6、、信号检出部分传感器（传感器（Sensor）- 检出功能的器件检出功能的器件信号提取（被测量）、传输（信号变换部分）信号提取（被测量）、传输（信号变换部分）特点：特点：1）输出量为电压、电流、频率）输出量为电压、电流、频率2）输出的电信号一般较微弱：）输出的电信号一般较微弱：电压电压 - 毫伏级、微伏级；电流毫伏级、微伏级；电流 - 毫安级、纳安毫安级、纳安级级3）输出信号与噪声混杂在一起）输出信号与噪声混杂在一起 - 传感器内部噪声传感器内部噪声 传感器的信噪比小、输出信号弱传感器的信噪比小、输出信号弱 - 信号淹没在噪声中信号淹没在噪声中4）传感器的输出特性呈线性或非线性）传感器的输出特性
7、呈线性或非线性选择：测量精度要求、被测量变化范围、被测对象所处的环境条件选择：测量精度要求、被测量变化范围、被测对象所处的环境条件 以及对传感器体积和整个检测系统的成本等的限制以及对传感器体积和整个检测系统的成本等的限制电阻、电容、电感电阻、电容、电感 两种：数字量、模拟量两种：数字量、模拟量5）外界环境的变化会影响传感器的输出特性）外界环境的变化会影响传感器的输出特性检测系统中形式最多样、与被测对象关联最密切的部分检测系统中形式最多样、与被测对象关联最密切的部分 2、信号变换部分、信号变换部分检出信号检出信号适合于分析和处理的信号适合于分析和处理的信号信号调理电路信号调理电路阻抗变换阻抗变换
8、 - 输出阻抗很高时；输出阻抗很高时；电压电压/电流（电流（V/A）转换）转换 - 需要电流输出时；需要电流输出时；目的：目的：4）简化后续系统的组成）简化后续系统的组成2） 消除或抑制传感器输出量中的无用信号消除或抑制传感器输出量中的无用信号3）提高测量、分析的准确度）提高测量、分析的准确度信号放大信号放大 - 输出信号微弱时；输出信号微弱时；噪声抑制噪声抑制 - 信号淹没在噪声中；信号淹没在噪声中；模拟模拟/数字（数字（A/D）转换）转换 - 需要输出数字信号时需要输出数字信号时1）对传感器的输出量变换成易于处理或放大的量）对传感器的输出量变换成易于处理或放大的量3、分析处理部分、分析处理
9、部分功能：管理不同系统之间的数据、状态和控制信息的传输和交换功能：管理不同系统之间的数据、状态和控制信息的传输和交换不断注入新内容不断注入新内容 - 检测系统的研究中心检测系统的研究中心通用标准接口通用标准接口 - 不同的系统尤其是不同厂家的产品能够互联不同的系统尤其是不同厂家的产品能够互联 4、通信接口与总线部分、通信接口与总线部分计算机系统计算机系统 - 强大问题分析能力、复杂系统的实时控制强大问题分析能力、复杂系统的实时控制自动化、智能化自动化、智能化USB、 IEEE-488、 RS-232（串行）、并行（串行）、并行总线：传送数字信号的公共通道总线：传送数字信号的公共通道 - 信号线
10、的集信号线的集合合RS-232C、VXI、Centronics（并行）（并行）（硬件系统）（硬件系统）（规范、结构形式）规范、结构形式）接口接口 - 分系统和上位机之间分系统和上位机之间/分系统之间交换信息分系统之间交换信息四、检测方法四、检测方法选择：被测量的性质、特点和测量任务要求选择：被测量的性质、特点和测量任务要求分类：分类：（1）按测量手续：直接测量、间接测量）按测量手续：直接测量、间接测量（2）按测量值的获得方式：偏移法测量、零位法测量、）按测量值的获得方式：偏移法测量、零位法测量、 差分式测量差分式测量（3）按传感器与被测对象是否直接接触：接触式测量、）按传感器与被测对象是否直接
11、接触：接触式测量、 非接触式测量非接触式测量（4）根据对象变化的特点：静态测量、动态测量）根据对象变化的特点：静态测量、动态测量1、直接测量与间接测量、直接测量与间接测量 直接测量直接测量 - 与同类基准进行简单的比较以得到被测量与同类基准进行简单的比较以得到被测量 线纹尺线纹尺 - 物体尺寸、天平物体尺寸、天平 - 物体重量物体重量 间接测量间接测量 - 被测量无法或不易进行直接测量被测量无法或不易进行直接测量 自变量自变量目标变量目标变量 负载电阻功率负载电阻功率 = 电压电压 电流电流（关系）（关系）（直接测量）（直接测量）2、偏移法与零位法测量、偏移法与零位法测量 1）偏移法）偏移法
12、- 完全从被测量中获得信号转换所需能量完全从被测量中获得信号转换所需能量例：弹簧秤例：弹簧秤 2）零位法）零位法 - 不从信号源获得能量不从信号源获得能量 作用：作用：测量原理线性化、测量原理线性化、提高灵敏度提高灵敏度结构：对称结构的两个传感器，结构：对称结构的两个传感器， 被测量反对称作用在两个传感器上被测量反对称作用在两个传感器上（常见检测结构形式）（常见检测结构形式）高精度测量高精度测量例：天平称量物体例：天平称量物体测量误差测量误差3、差分式测量、差分式测量消除干扰的影响消除干扰的影响24、随动跟踪测量、随动跟踪测量- 基于零位法的测量基于零位法的测量例：高精度电子秤、例：高精度电子
13、秤、 伺服加速度计、伺服加速度计、 高精度压力传感器高精度压力传感器自学习能力自学习能力 - 神经网络模拟某种非线性映射神经网络模拟某种非线性映射 - 智能化检测的标志之一智能化检测的标志之一高精度测量高精度测量5、主动探索与信息反馈型检测、主动探索与信息反馈型检测自适应能力自适应能力改变传感器的工作温度改变传感器的工作温度 传感器的灵敏度传感器的灵敏度被测对象传感器信息处理检测结果通过学习不断调整连接强度通过学习不断调整连接强度问题最优解问题最优解调整对象的位置、姿态使检测结果具有确定性调整对象的位置、姿态使检测结果具有确定性信号特征辨析信号特征辨析五、检测技术的发展趋势五、检测技术的发展趋
14、势检测技术检测技术重要手段重要手段相关学科：物理、化学、数学、生物学、材料科学等等相关学科：物理、化学、数学、生物学、材料科学等等新的检测理论、方法和技术手段新的检测理论、方法和技术手段1、传感器水平的提高、传感器水平的提高光纤传感器、液晶传感器、压敏传感器（以高分子有机材料为光纤传感器、液晶传感器、压敏传感器（以高分子有机材料为敏感元件）敏感元件）化学传感器、化学传感器、 微生物传感器、微生物传感器、 仿生传感器（代替视觉、嗅觉、仿生传感器（代替视觉、嗅觉、味觉和听觉）以及检测超高温、超高压、超低温和超高真空等味觉和听觉）以及检测超高温、超高压、超低温和超高真空等极端参数的新型传感器极端参数
15、的新型传感器1）新原理、新材料、新工艺）新原理、新材料、新工艺 新新功能传感器功能传感器2）新领域、新需求）新领域、新需求 新型传感器新型传感器科学研究科学研究形成形成推动实验研究和发展推动实验研究和发展3）传感器向着高精度小型化和集成化方向发展）传感器向着高精度小型化和集成化方向发展微电子技术微电子技术 - 多个同类型传感器集成在一个芯片或阵列多个同类型传感器集成在一个芯片或阵列上上 一体化：将传感器和后续的处理电路集成一体一体化：将传感器和后续的处理电路集成一体 微型化：微米微型化：微米/纳米技术、纳米技术、MEMS技术技术 体积微小、重量轻微体积微小、重量轻微特点：点测量特点：点测量 平
16、面平面/空间测量空间测量例：电荷耦合器件（例：电荷耦合器件（CCD）- 光敏元阵列光敏元阵列 数码相机数码相机 多功能传感多功能传感 - 不同功能的传感器集成化不同功能的传感器集成化 集成化：集成化：特点：一个传感器可以同时测量不同种类的多个参数特点：一个传感器可以同时测量不同种类的多个参数例：测量血液中各种成分的多功能传感器例：测量血液中各种成分的多功能传感器特点：减少干扰，提高灵敏度，方便使用；可实现实时数特点：减少干扰，提高灵敏度，方便使用；可实现实时数据处理（传感器和数据处理电路集成）据处理（传感器和数据处理电路集成）2、检测系统由模拟式、数字式向智能化方向发展、检测系统由模拟式、数字式向智能化方向发展以计算机为中心的检测系统以计算机为中心的检测系统 复杂对象或系统的多路、多参数复杂对象或系统的多路、多参数检测；数据存贮、传输、处理或复杂分析加工；故障诊断检测；数据存贮、传输、处理或复杂分析加工；故障诊断
